Охлаждение скоростью, зависящей эллипсометрии измерений для определения динамики тонких пленок стеклообразных

Summary

Здесь мы приводим протокол для охлаждения скоростью, зависящей эксперименты эллипсометрии, которые можно определить температуру стеклования (T _G) среднюю динамику, хрупкость и коэффициент расширения жидкости переохлажденной и стекла для различных стеклообразных материалов.

Abstract

Этот отчет направлен в полной мере описать экспериментальную методику использования эллипсометрии для охлаждения ставки зависит Т _{г (CR-Т г)} эксперименты. Эти измерения являются простыми высокой пропускной характеристика эксперименты, по которым можно определить температуру стеклования (Т _г), средние динамика, хрупкость и коэффициент расширения супер-охлаждения жидких и стеклообразных состояний для различных стеклообразных материалов. Эта методика позволяет эти параметры должны быть измерены в одном эксперименте, а другие методы должны сочетать различные методы, чтобы исследовать все эти свойства. Измерения динамики близко к T _г особенно сложным. Преимущество курса зависит Т _г измерений перед другими методами, которые непосредственно исследующих динамику объемных и поверхностных релаксации охлаждения, что они относительно быстро и простые эксперименты, которые не используют флуорофоры или другой сложный эксэкспериментальные методы. Кроме того, этот метод исследует динамику средних технологически соответствующих тонких пленок в температуры и времени релаксации _(τ α) режимов, относящихся к стеклянным переходом _(τ α> 100 сек). Ограничение на использование эллипсометрии для скорости охлаждения зависит _Т с экспериментов является то, что он не может исследовать времена релаксации отношение к измерению вязкости _(τ α << 1 сек). Другие методы измерения _г Скорость охлаждения зависит Т, однако, может распространить метод CR-T _{г до} более быстрых времен релаксации. Кроме того, этот метод может быть использован для любого стекловидной системы при условии, что целостность пленки остается на протяжении всего эксперимента.

Introduction

Семенной работа Keddie Джонс и Кори ¹ показал, что температура стеклования (Т _г) ультратонких пленок полистирола уменьшается по отношению к объемному значению при толщинах менее 60 нм. С тех пор, многие экспериментальные исследования ^2-11 поддержали гипотезу, что наблюдаемые сокращения Т _г вызваны слоя повышенной мобильности вблизи свободной поверхности этих пленок. Тем не менее, эти эксперименты косвенные меры единого времени релаксации, и, следовательно, дискуссия ^{12 18} сосредоточены на прямой корреляции между средней динамикой тонкопленочных и динамики на границе воздух / полимера.

Чтобы ответить на эти дебаты, многие исследования измеряется непосредственно динамику свободной поверхности (т _{поверхности).} Наночастиц вложение, ^19,20 наноотверстия релаксации, ²¹ и ²² флуоресценции исследования показывают, что воздух / полимер интерфейс ча динамика порядков быстрее, чем основная альфа времени релаксации τ _(A) с более слабой температурной зависимости, чем у т _а. Из-за своей слабой температурной зависимости, то τ _{поверхность этих} фильмов, ^19-22 и усовершенствованные динамики тонких пленок полистирола, ^23,24 пересекает основная альфа релаксации _(τ α) в одной точке Т *, который находится в нескольких градусов выше Т _г, а при т _альфа в ≈ 1 сек. Наличие Т * может объяснить, почему эксперименты, которые проверяющие раз быстрее, чем релаксационные * не вижу толщина зависимость от Т _г ультратонких пленок полистирола. ^13-18 Наконец, в то время как прямые измерения расширенной мобильной слоя показывают, что он имеет толщина 4-8 нм, ^20-22 есть данные о том, что длина распространения динамике на границе раздела воздух / полимерной намного больше, чем толщина подвижной поверхности Лер. ^5,25,26

Этот отчет направлен, чтобы полностью описать протокол для использования эллипсометрии для охлаждения ставки зависит Т _{г (CR-Т г)} эксперименты. CR-Т _г ранее использовались для описания среднюю динамику ультра-тонких пленок полистирола. ^23,24,27,28 Кроме того, этот метод был недавно использован, чтобы показать прямую корреляцию между средней динамикой в ультра-тонких пленок полистирола , и динамика на свободной поверхности. ²³ Преимущество CR-T измерений _г по сравнению с другими типами измерений, таких как флуоресценции, наночастиц вложения, наноотверстия релаксации, nanocalorimetry, диэлектрической спектроскопии и рассеяния света Бриллюэна, исследования является то, что они относительно быстро и простые эксперименты, которые не используют флуорофоры или другие сложные экспериментальные методы. Последние достижения в области спектральной эллипсометрии позволяют этот метод будет использоваться эффективно определять оптическую propertх годов ультра-тонких пленок полимеров и других видов гибридных материалов с исключительной точностью. Таким образом, этот метод исследует динамику средних технологически применимых тонких пленок в температурных режимах и времени, относящимся к стеклянным переходом (T ≤ T _{г, τ} α ≥ 100 сек). Кроме того, этот метод будет предоставлять информацию о коэффициентах расширения стекловидное и ужин охлаждением жидких состояний, а также хрупкость системы, которые затем могут быть сопоставлены с данными для сыпучих фильмов. Наконец, CR-T эксперименты _г может быть использован для любого стекловидной системы при условии, что целостность пленки остается на протяжении всего эксперимента.

Protocol

1. Подготовка фильм Взвесьте 0,04 г полистирола, и поместить в пузырек 30 мл. Взвешивают 2 г толуола в пробирке. 2% по весу раствора полистирола в толуоле дает пленку приблизительно 100 нм. Пусть решение сидеть O / N, чтобы полностью растворить полистирол и пусть решения обоснова…

Representative Results

Место сырье Эллипсометрия данных Полистирол Пленки прозрачны в диапазоне длин волн от эллипсометра (500-1,600 нм). Таким образом, модель Коши является хорошей моделью для описания показатель преломления пленок полистирола. 1…

Discussion

Холодильная скоростью, зависящей Т _г измерения высокой пропускной эксперименты характеристика, которые могут определить Т _г, коэффициент расширения стекла и жидкости переохлажденной, температурной зависимости средних динамики и хрупкость конкретной стекловидного матер…

Materials

Toluene	Sigma Aldrich	179418-1L	This can be purchased from any chemical company.
Atactic Polystyrene	Polymer Source Inc.	P-4092-S	This can be purchased from any chemical company.
THMS 600 temperature stage	Linkam	THMS 600	any temperature stage that can be fit to an ellipsometer could be used.
M2000V Spectroscopic Ellipsometer	J.A. Woollam	M200V	This procedure should be applicable for any spectroscopic ellipsometer.
Spin Coater	Laurell Technologies	WS-650-23B	This Procedure is possible with any spin coater
Sample vials	Fisher Scientific	02-912-379	Any sample vials will do
Silicon wafers	Virginia semi conductors	325S1410694D